Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса разработки пологих и наклонных угольных пластов короткими забоями. цель работы и задачи исследований 15
1.1. Анализ существующих систем разработки угольных месторождений короткими забоями 15
1.2. Опыт внедрения короткозабойных систем отработки угольных пластов в СССР и России 25
1.3. Факторы влияющие на выбор параметров технологических схем и систем разработки угольных пластов короткими забоями 31
1.4. Анализ существующих методов расчета целиков 35
Выводы 46
1.5. Цель работы и задачи исследований 48
2. Комплексная оценка горно-геологических условий разработки пологих и наклонных пластов кузбасса 50
2.1. Изменчивость горно-геологических условий залегания разрабатываемых пластов Кузбасса 50
2.2. Обоснование и методика типизации шахтопластов Кузбасса 52
2.3. Изучение тектонической структуры массива для рационального планирования горных работ 66
2.3Л. Методическое обоснование способа построения поверхностей тектонических напряжений и деформаций 66
2.3.2. Планирование горных работ с учетом тектонических деформаций угольного пласта 75
2.4. Практические рекомендации по планированию горных работ 84
2.4.1. Общие сведения по тектонике шахтных полей 84
2.4.2. Описание тектонических деформаций угольных пластов на примере отработанных и проектируемых к отработке участках 85
3. Разработка технологических схем отработки пологих и наклонных угольных пластов короткими забоями 93
3.1. Общая характеристика технологических схем 93
3.2. Разработка способа отработки пологих и наклонных пластов короткими забоями при взрывной отбойке угля 97
3.2.1. Технология разработки пластов короткими столбами при взрывной отбойке и скреперовании угля 97
3.2.2.Технология разработки пластов камерами - лавами при взрывной отбойке и машинной погрузке угля 109
3.3. Технология разработки пологих пластов камерно-столбовой системой с выемкой угля проходческими комбайнами 113
3.4. Технология разработки пластов короткими лавами с выемкой угля механизированными комплексами 119
3.5. Экспериментальная проверка технологии разработки пластов короткими лавами с выемкой угля механизированными комплексами 123
3.5.1. Горно-геологический прогноз на отработку лавы 123
3.5.2. Выбор типа крепи, параметров забоя и забойного оборудования 126
3.5.3. Технология ведения очистных работ 127
3.5.4. Расчет нагрузки на очистной забой 134
3.5.5. Проветривание 137
3.5.6. Транспортировка горной массы, материалов и оборудования.. 138
3.5.7. Результаты шахтных испытаний технологии разработки пластов короткими лавами с выемкой угля механизированными комплексами 146
3.6. Экспериментальная проверка технологии разработки пластов короткими забоями с выемкой угля проходческими комбайнами 155
3.7. Экспериментальная проверка технологии разработки пластов короткими забоями с выемкой угля буровзрывным способом 169
3.7.1. Результаты отработки пласта «Коксовый» в пределах выемочного столба лавы №9 ш/у «Физкультурник» 169
3.7.2. Результаты отработки пласта «Коксовый» в пределах выемочного столба лавы №5 8 ш/у «Сибирское» 171
4. Исследование влияния горного давления на процесс взрывного разрушения угля в очистных забоях и определение оптимальных паййетров буровзрывных работ 175
4.1. Анализ современных исследований влияния горного давления на процесс взрывного разрушения угля 175
4.1.1. О распределении горного давления в лаве и влиянии на прочностные свойства массива 175
4.1.2. Физические основы изменения прочностных свойств твёрдых тел под давлением 181
4.1.3. Механизм и энергетические показатели процесса взрывного разрушения пород (угля) 184
4.2. Аналитическое исследование особенностей взрывного разрушения пласта в зоне отжима 189
4.3. Определение оптимальных параметров буровзрывных работ в коротких очистных забоях 194
4.3.1. Определение оптимальных параметров буровзрывных работ при отбойке угля шпуровыми зарядами 194
4.3.2. Параметры буровзрывных работ при отбойке угля скважинными зарядами 206
4.4. Шахтные экспериментальные исследования влияния горного давления на результаты взрыва 212
4.4.1. Методика и результаты шахтных экспериментальных работ...212
4.4.2. Анализ полученных результатов шахтных экспериментальных работ 214
5. Геомеханическое обоснование параметров технологии разработки пологих и наклонных пластов короткими забоями 225
5.1. Методика и результаты расчёта целиков различного назначения 225
5.1.1. Определение нагрузок на целики различного назначения 227
5.1.2. Определение несущей способности целиков 243
5.1.3. Расчёт размеров целиков 249
5.2. Оценка напряженного состояния угольного массива и прогноз степени удароопасности отдельных участков угольных пластов 256
5.3. Управление горным давлением при наличии труднообрушаемых пород основной кровли 264
5.3.1. Особенности проявления горного давления в выработках при вторичных осадках кровли 264
5.3.2. Дополнительная типизация пластов с труднообрушаемыми кровлями 270
5.4. Способ разупрочнения передовым торпедированием труднообрушаемых пород основной кровли 280
6. Разработка анкерной крепи 315
6.1. Выбор материалов для анкерных стержней 316
6.2. Исследование структуры композита со спирально-армированным наполнителем, используемого при изготовлении анкерного стержня 318
6.2.1. Степень наполнения материала анкерного стержня 322
6.2.2. Анализ структуры материала анкерного стержня 329
6.2.3. Определение предельных размеров элементов структуры материала анкерного стержня 332
6.3. Исследование физико-механических свойств материалов 335
6.3.1. Выбор методики испытаний, подготовка образцов, обработка результатов экспериментов 335
6.3.2. Влияние основных структурных и технологических параметров на механические характеристики композитов 337
6.3.3. Оценка ползучести анкерного стержня 351
6.4. Стендовые и шахтные испытания анкеров на основе спирально армированных композиционных материалов 357
6.4.1. Стендовые испытания анкеров на основе спирально армированных композиционных материалов 360
6.4.2. Шахтные испытания анкеров на основе спирально армированных композиционных материалов 371
Выводы 381
Заключение 383
Список литературы 386
Приложения 400
- Опыт внедрения короткозабойных систем отработки угольных пластов в СССР и России
- Обоснование и методика типизации шахтопластов Кузбасса
- Разработка способа отработки пологих и наклонных пластов короткими забоями при взрывной отбойке угля
- Аналитическое исследование особенностей взрывного разрушения пласта в зоне отжима
Введение к работе
Актуальность работы. В связи с интенсивной отработкой запасов угля с благоприятными условиями залегания удельный вес пластов со сложными горно-геологическими условиями неуклонно возрастает. Поэтому при решении задач по повышению технико-экономических показателей работы шахты необходимо учитывать этот факт и заблаговременно изыскивать эффективные способы и средства для выемки угольных пластов, залегающих в таких условиях.
В настоящее время в угольной отрасли наметились два основных направления механизированной разработки угольных пластов: 1) ведение очистных работ в длинных забоях с помощью механизированных комплексов; 2) применение выемочных машин в коротких забоях с упрощением крепления призабойного пространства.
Хотя оба эти направления являются прогрессивными, степень их освоения в угольной промышленности различна.
В данный период в России первое направление считается основным. Механизированными комплексами оборудовано значительное число лав, работающих с высокими технико-экономическими показателями. Это объясняется тем, что применение комплексов не связано с принципиальной перестройкой горного хозяйства шахт и не требует разработки и внедрения новых систем разработки. Очистная выемка ведется традиционными способами, хорошо освоенными рабочим персоналом шахт на протяжении десятков лет.
Однако область применения механизированных комплексов значительно ограничена горно-геологическими условиями разработки. Так, при малой или переменной в пределах выемочного участка мощности пласта, волнистой гипсометрии, наличии тектонических нарушений, переменном угле падения, повышенной газоносности и водообильности месторождения,
слабых вмещающих породах использование комплексов становится весьма затруднительным, а показатели их работы резко снижаются.
В то же время следует отметить, что область применения технологических схем разработки пологих и наклонных угольных пластов короткими забоями, ограничивается горно-геологическими условиями в значительно меньшей степени.
Короткозабойные системы разработки отличаются низкими капитальными затратами, простой организацией и маневренностью, что позволяет совмещать их с механизированными лавами путем отработки короткими забоями всех сложных в горно-геологическом плане участков шахтного поля. При короткозабойных системах разработки пластов применяется простое технологическое оборудование, действующее как единый взаимоувязанный комплекс, обеспечивающий весь технологический процесс угледобычи.
В отечественной горной практике разработка угольных пластов корот-козабойными системами применялась в очень ограниченных объемах. Опыт отработки наклонных пластов такими системами также незначителен. Это связано с малой изученностью технологии, отсутствием специального отечественного высокопроизводительного оборудования, рациональных вариантов систем, анализа условий, определяющих область их применения.
Учитывая разнообразие горно-геологических условий залегания угольных пластов на шахтах Кузбасса, совершенствование технологических схем разработки пологих и наклонных угольных пластов короткими забоями является актуальной проблемой.
Цель работы. Разработка и научное обоснование эффективных технологических схем разработки пологих и наклонных угольных пластов в сложных горно-геологических условиях короткими очистными забоями.
Идея работы заключается в оптимизации основных технологических параметров и геомеханическом обосновании короткозабойных систем разработки угольных пластов в зависимости от горно-геологических и горно-
технических условий, выбранного способа выемки угля и средств транспорта.
В задачи исследования входят:
Проведение комплекса исследований по оценке горно-геологических условий разработки пологих и наклонных угольных пластов Кузбасса с разработкой методики типизации шахтопластов по изменчивости их залегания.
Разработка методики оценки тектонической структуры массива для рационального планирования горных работ.
Разработка технологических схем разработки пологих и наклонных угольных пластов короткими забоями в зависимости от выбранного способа выемки угля (буровзрывная или комбайновая) и средств его транспорта (конвейерный или скреперный) и проведение опытно-промышленных испытаний.
Определение оптимальных параметров буровзрывных работ на основе исследований влияния горного давления на процесс взрывного разрушения угля в коротких очистных забоях.
Установление оптимальных взаимосвязанных параметров камер и целиков, обеспечивающих их устойчивость и исключающих внезапное разрушение целиков в динамической форме.
Проведение комплекса исследований по оценке напряженного состояния угольного массива и разработка метода прогноза степени удароопас-ности отдельных участков угольных пластов в коротких очистных забоях.
Выбор способа и определение оптимальных технологических параметров управления горным давлением при наличии труднообрушаемых пород основной кровли в коротких очистных забоях.
Разработка анкерной крепи высокой несущей способности из композиционных материалов, обеспечивающей эффективное крепление подготовительных выработок в сложных горно-геологических условиях.
Методы исследований. Общей теоретической и методологической базой диссертационной работы явились научные труды отечественных и зару-
бежных ученых и практиков в области геотехнологии и геомеханики. При решении поставленных задач исследований использовался комплексный метод, включающий в себя аналитические исследования, экспериментальные исследования на стенде и опытно-промышленные испытания в шахтных условиях с использованием математического и физического моделирования, а также математической статистики при анализе и обобщении результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Комплексная оценка горно-геологических условий разработки
угольных пластов на основе прогноза и разработанной типизации шахтопла-
стов по основным горно-геологическим факторам, оказывающим отрица
тельное влияние на состояние подготовительных выработок, и районирова
ния месторождения по степени тектонической сложности, а также ориенти
ровка линии очистного забоя относительно главных осей тектонических на
пряжений позволяют определять рациональные параметры технологических
схем подготовки и разработки шахтопластов.
Технологические схемы разработки пологих и наклонных угольных пластов короткими забоями в сложных горно-геологических условиях имеют преимущество перед технологией выемки угля длинными очистными забоями и позволяют существенно упростить крепление призабойного пространства и процесс управления горным давлением, что создает условия применения простого технологического оборудования, действующего как единый взаимоувязанный комплекс, обеспечивающий весь технологический процесс угледобычи.
Взрывание шпуровых зарядов ВВ, расположенных в зоне отжима, вследствие суммирования предразрушения угля, горного давления и разрушающего воздействия взрыва позволяет эффективно разрушать угольный пласт с уменьшением удельного расхода ВВ до 25%.
4. Определение расстояния до зоны максимума опорного давления че
рез равные промежутки времени и средневзвешенной крепости угольного
пласта, а также расчёт введённого показателя удароопасности позволяют по
высить эффективность текущего контроля удароопасности угольного пласта.
5. При типизации тяжёлых кровель, повышающих удароопасность
угольного пласта, необходимо выделять дополнительный подтип, учиты
вающий устойчивость непосредственной кровли, особенности проявления
горного давления при применении механизированных крепей, структуру и
строение основной кровли в зависимости от величины отношения мощности
непосредственной кровли к вынимаемой мощности пласта.
6. Использование композиционных материалов на основе спирально-армированных полимерных наполнителей позволяет разрабатывать анкерную крепь с несущей способностью до 100 кН и прочностными характеристиками при растяжении и срезе в 1,7 и 1,3 раза соответственно больше, чем анкера из однонаправленных композитов с уменьшением величины ползучасти стержня анкера на 25-ь30%.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
использованием комплекса апробированных натурных и лабораторных экспериментальных методов;
представительным объемом экспериментальных измерений и удовлетворительной сходимостью полученных данных с результатами теоретических расчетов, стендовых и опытно-промышленных испытаний;
методическими предпосылками работы, основанными на корректном использовании математического аппарата механики сплошных сред, математического и физического моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Для разработанных технологических схем отработки пологих и наклонных угольных пластов короткими забоями определены параметры камер
и целиков с учётом размера зон возможных разрушений в краевых частях целика, т.е. предельно напряженных зон целиков — зон разрушения со стороны отработанного пространства и выработки, зависящих от глубины ведения горных работ, мощности пласта, прочности угля и схем расположения выработок.
Установлена зависимость производительности очистного забоя от углов встречи линии забоя с направлением осей тектонических напряжений в массиве и разработана методика оценки тектонической структуры массива для рационального планирования горных работ.
Установлена зависимость величины шпурового заряда ВВ от величины горного давления, модуля упругости разрушаемого угля, удельной энергии ВВ для соответствующих значений линии наименьшего сопротивления.
Предложена расчётная зависимость показателя удароопасности угольного пласта от расстояний до максимума опорного давления, определяемого через равные промежутки времени, средневзвешенной крепости пласта и напряжений в краевой зоне угольного массива.
Установленно влияние отношения мощности непосредственной кровли к вынимаемой мощности пласта в зависимости от устойчивости непосредственной кровли, особенностей проявления горного давления, структуры и строения труднообрушаемых пород основной кровли на технологические параметры управления состоянием горного массива в очистных забоях. Разработана дополнительная типизация тяжёлых кровель.
Установлена зависимость физико-механических свойств анкерного стержня, изготовленного из композиционного материала, от параметров его пространственной армировки и степени наполнения материала низкомодульными полимерными композитами. Разработана методика расчёта механических характеристик анкерных штанг.
Научное значение работы заключается в установлении новых закономерностей и зависимостей технико-экономических показателей разработки пологих и наклонных угольных пластов от сложности горно-геологических условий, ориентации забоев относительно направлений главных тектонических напряжений и конструктивных параметров других технических решений позволяющих научно обосновать технологические схемы разработки угольных пластов короткими очистными забоями.
Практическое значение диссертации'.
Разработано девять технологических схем разработки пологих и наклонных угольных пластов короткими забоями, позволяющих эффективно отрабатывать запасы угля в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях.
Геомеханически обоснованы размеры ярусных, подзавальных, межстолбовых и междукамерных целиков с учетом удароопасности угольных пластов Кузбасса.
Предложена методика типизации шахтопластов по изменчивости их залегания с учетом опасности по газодинамическим явлениям с обоснованием рациональных технологических схем очистных и подготовительных работ для удароопасных пластов позволяющих нейтрализовать природные факторы и повысить технико-экономические показатели работы шахты.
Созданы инженерные методы расчета параметров БВР, учитывающие влияние горного давления в коротких очистных забоях как средство разработки эффективных паспортов БВР, позволяющие снизить удельный расход ВВ до 25%.
Создана конструкция анкерной крепи из композиционных материалов с объемной схемой армирования и несущей способностью до ЮОкН, соответствующей работе в сложных горно-геологических условиях.
Реализация работы. Результаты работы используются при отработке пологих и наклонных пластов короткими забоями в ОАО ш/у
"Физкультурник", ОАО "Шахта "Егозовская", ОАО "Шахта "Первомайская" и ОАО "Шахтоуправление "Сибирское" и вошли составной частью в "Экспериментальные технологические схемы разработки угольных пластов короткими забоями на шахтах ОАО "Северокузбассуголь" и "Инструкцию по безопасному применению технологических схем разработки пологих и наклонных угольных пластов короткими забоями", а также в "Каталог рекомендуемых способов управления геомеханическим состоянием горного массива для угольных шахт России" и "Методику оценки тектонической структуры массива для рационального планирования горных работ". Все нормативные документы согласованы в органах Госгортехнадзора РФ.
Апробация работы. Основные результаты работы в период выполнения докладывались на: научно-технической конференции института Куз-НИИШахтострой (г. Кемерово, 1983 г.); научно-практической конференции, посвященной 40-летию Кузбасского политехнического института (г. Кемерово, 1990 г.); Всесоюзной научной конференции по развитию производительных сил Сибири. Угольный комплекс, (г. Ленинск-Кузнецкий, 1990 г.); научно-технической конференции "Минеральные ресурсы рудного и нерудного сырья Сибири в XXI веке. Проблемы освоения и конкурентноспособности"(г. Новосибирск, 1999 г.); научно-технических совещаниях производственных объединений "Ленинскуголь", "Беловуголь", "Северокузбассуголь" (г.г. Ленинск-Кузнецкий, Белово, Кемерово, 1983-1999 г.); научном симпозиуме "Неделя горняка - 2002" (г. Москва, 2002 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского (г. Люберцы, 2002 г.); 7-й Международной выставке "MINTEK 2003" (г. Москва, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано самостоятельно и в соавторстве 30 работ, в том числе 1 монография, 3 авторских свидетельства, 1 свидетельство на полезную модель и 3 патента РФ.
Опыт внедрения короткозабойных систем отработки угольных пластов в СССР и России
В 50-е годы XX столетия, при разработке высокопроизводительных и экономически эффективных систем отработки пологих пластов Кузбасса был испытан ряд вариантов систем с короткими забоями как при обычных способах выемки, так и с применением гидромеханизации. Так, например, в Ленинском районе Кузнецкого бассейна, на шахте "Полысаевская-Северная" с 1953г, разработка угольных пластов велась так называемой «полысаевской» системой - без крепления очистного пространства, с применением сначала буровзрывного, а затем механо-гидравлического способа выемки. На шахте "Томь-Усинская 1-2" прошла испытания камерно-столбовая система с гидромеханизацией. На некоторых пластах Томь-Усинского н Ленинского районов были проведены испытания камерных и камерно-столбовых систем разработки с применением обычной механизации. Кроме того, были начаты опыты по разработке пластов полуподземным способом - с бортов карьеров - такими системами разработки, которые можно отнести к группе камерных систем [2].
Широкие промышленные опыты показали, что там, где применялись высокопроизводительные машины и механизмы, системы разработки с короткими забоями обеспечивают получение высоких технико-экономических показателей. Так, по гидрошахте «Полысаевская-Северная " производительность труда рабочих оказалась выше, чем по другим шахтам, разрабатывающим пласты длинными забоями в аналогичных горно-геологических условиях. При применении камерно-столбовой системы разработки с использованием механизированных комплексов, включающих комбайны бурового типа2ВТ-2, на шахте "Томь-Усинская 1-2" по пласту XI достигнута месячная производительность труда рабочего в 3-4 раза выше, чем в лавах, а себестоимость 1 т угля по участку снизилась почти вдвое.
В СССР промышленные испытания способа выемки угля комбайнами в коротких забоях проводились на угольном разрезе «Красногорский» в Кузнецком бассейне [2]. Угленосные отложения этих районов представляют собой свиту поло гих и наклонных пластов различной мощности, в основном от 0,7 до 13 м. В Томусинском и Мрасском районах 38 пластов (из 68) общей мощностью 88,3 м являются рабочими. Наибольшее распространение имеют пласты мощностью 1—3 м. Обычно уголь пластов такой мощности вывозится в от валы вместе с перекрывающими пласт породами кровли. Потери угля по этой причине достигают только в Кузнецком бассейне около 2-4 млн. т в год. Эти запасы с большой эффективностью могут быть отработаны полуподземным способом с применением комбайнов с дистанционным автоматическим управлением. Испытания способа выемки угля комбайнами в коротких забоях из борта уступа разреза проводились на двух опытных участках. На обоих участках камеры нарезали комбайнами ПКГ-3. Отбитый уголь передавался на скребковый конвейер, расположенный вдоль камеры, затем поступал на та кие же конвейеры, установленные на поверхности вдоль уступа, и транспортировался на угольный склад. На опытных участках камеры проводились по пласту угля марки СС мощностью 2,3-3 м, залегающему под углом 10-12. Уголь вязкий крепостью от 1,5 до 2 по шкале проф. М. М. Протодъяконова. Кровля представлена слоем конгломерата мощностью до 1,5 м, песчаником (10-40 м), алевролитом (до 5 м) и наносами (до 1 м). Глубина залегания пласта в месте расположения устьев камер составляла 15-20 м, на границе - 60 м. За период испытаний на участке с борта уступа были проведены три камеры и дренажная выработка. Каждая камера имела длину 120-140 м. Всего на участке работали 14 человек. В смену выходила бригада в составе машиниста комбайна, помощника машиниста, двух проходчиков, слесаря, моториста и такелажника. За смену комбайном проводилось в среднем 14,4 м камеры и добывалось 90 т угля. При благоприятных условиях производительность труда рабочего по участку в среднем составляла 12,5 т на выход, а в отдельные смены она достигала 27 т на выход. В камерах устанавливались деревянные рамы, а между ними -рамы на металлических винтовых стойках ВК-7. Крепь была необходима лишь на период нарезки камеры, когда в последней находились люди. При выводе комбайна крепь выбивали и камеры оставались незакрепленными. Периодические замеры во время экспериментальных работ (6-7 месяцев) показали незначительные сдвижения кровли. Даже в местах геологического нарушения пачка угля, оставляемая в кровле, начинала отслаиваться только через 5-6 месяцев после проведения выработки.
Относительно высокие показатели работы были получены, несмотря на использование малоприспособленных для этой цели конвейеров и комбайна ПКГ-3 при организации работ, предусматривающей выполнение забойной бригадой всех вспомогательных процессов, включая заготовку и доставку крепежных материалов.
Обоснование и методика типизации шахтопластов Кузбасса
Приведенная краткая характеристика разрабатываемых шахтопластов в бассейне дает достаточное представление о сложности и разнообразии горногеологических условий их залегания. Разработка технологических паспортов проведения и эксплуатации горных выработок, оперативное и перспективное планирование расходов материалов и денежных средств на ремонт их как в период подготовительных, так и очистных работ представляет весьма сложную задачу: во-первых, потому, что недостаточно изучены закономерности характера влияния горно-геологических факторов на стоимость поддержания выработок, а, во-вторых, провести подобные исследования по каждому разрабатываемому шахтопласту практически не представляется возможным.
Для облегчения решения данной задачи нами произведена типизация шахтопластов Кузбасса по основным горно-геологическим факторам, оказывающим отрицательное влияние на стоимость поддержания подготовительных горных выработок, пройденных по этим пластам. В типизации выделены группы шахтопластов, в которых характер и степень влияния исследуемых факторов на состояние выработок присущи только этой группе.
Для типизации шахтопластов приняты следующие горногеологические факторы, оказывающие наибольшее влияние на состояние подготовительных выработок (табл. 2.1): глубина разработки; изменчивость мощности пласта, характеризующаяся коэффициентом вариации; изменчивость угла падения, определяемая среднеквадратическим отклонением; дизъюнктивная нарушенность, обводненность и пораженность пласта размывами; величина смещения пород кровли и коэффициент пучения пород почвы.
Характер влияния типизирующих факторов и их количественная оценка принята на основании анализа условий разработки более 400 шахтопластов Кузбасса, проведенного отраслевой лабораторией № 2 КузПИ, при непосредственном участии в данной работе автора.
Глубина разработки. Анализ состояния подготовительных выработок показывает, что начиная с глубины 200-250 м довольно резко увеличивается горное давление, частота перекрепки и трудоемкость поддержания выработок, потери угля при охране их целиками. Кроме того, на таких глубинах появляется опасность газодинамических проявлений и пучение пород почвы в выработках, величина и интенсивность которых по мере углубления горных работ на каждые 100 м систематически возрастают. Поэтому в типизацион-ной таблице, начиная с 200 м глубины горных работ, тип шахтопластов по сложности поддержания горных выработок через каждые 100 м увеличивается.
Изменчивость мощности пласта. Эти показатели определяют характер формирования горного массива, окружающего горную выработку. Естественно, большое колебание мощности пласта отрицательно сказывается на устойчивости пройденной по нему выработки. Поэтому в типизацию включены величины изменчивости мощности пластов, характеризующиеся коэффициентом вариации, который определялся по формулет - среднее арифметическое значение мощности пласта, м.
При определении среднеквадратического отклонения, среднеарифметической мощности шахтопластов Кузбасса первичными материалами явилась геолого-маркшейдерская документация. На неотработанных площадях данные о мощности пластов выбирались по разведочным скважинам.
Изменчивость угла падения. Как и изменчивость мощности пластов этот фактор также оказывает влияние на состояние массива горных пород вокруг выработки. Чем больше величина колебаний углов падения, тем зна чительнее, в одних и тех же горных породах изменяется напряженность, расчетная прочность пород, а, следовательно, и величина их смещения в выработке.Изменчивость углов падения пластов представлена среднеквадра-тическим отклонением, полученным из выраженияград; п - число наблюдений. Для анализа изменчивости углов падения шахтопластов использовалась также геолого-маркшейдерская документация. При этом одновременно со сбором сведений о мощности в тех же точках замерялись углы падения пласта. Данные заносили в специальные ведомости и подсчитывались минимальные, максимальные и среднеарифметические значения углов падения. Обработанный соответствующим образом первичный материал был использован для определения изменчивости углов падения, разрабатываемых шах-топлостов бассейна.
Пораженностъ пласта размывами. В подавляющем большинстве случаев на размытых участках пластов устойчивость выработок ухудшается. Это объясняется тем, что прочность вмещающих пород в местах размыва пласта, кик правило, меньше прочности боковых пород, не пораженных размывами. Следовательно величина смещения окружающих выработку пород на таких участках значительно больше и требуется усиленная крепь и большие затраты на поддержание [25,26]. где Кр - количество размывов, приходящихся на 1 км2 площади пласта, шт/км ; п - количество размывов, шт; S - площадь, на которой подсчитывались размывы, км2; Дизъюнктивная нарушенностъ пласта. Общеизвестно, что любой вид нарушения пласта, через которое проходит подготовительная выработ ка, отрицательно сказывается на ее состояние. Наиболее сложные условия поддержания выработок наблюдаются в местах дизъюнктивных нарушений. Крепость угля и вмещающих пород в зонах разрывных нарушений в 2,5 раза меньше ненарушенных участков [28], что приводит к большим смещениям пород вокруг выработки и сложности ее эксплуатации. Дизъюнктивная нарушенность пластов характеризуется двумя показа где К,- длина разрывных нарушений, приходящихся на I км площади пласта, км-1; Е/ - суммарная длина разрывных нарушений на исследуемой площади, км; S - исследуемая площадь шахтопласта, км2; Кп - количество разрывных нарушений, приходящихся на 1км площади пласта, шт/км ; Ел - общее количество разрывных нарушений на исследуемой
Разработка способа отработки пологих и наклонных пластов короткими забоями при взрывной отбойке угля
Разработка пласта короткими столбами при взрывной отбойке и скреперовании угля рекомендуется применять при мощности пласта 1,0-2,0м, угле падения 0-40, устойчивой и средней устойчивости непосредственной кровли.
Подготовка пласта при этой технологии аналогична панельной подготовке при системе разработки длинными столбами по простиранию на пологих пластах. От панельных уклонов или бремсбергов проводятся ярусные конвейерный и вентиляционный штреки, сбиваемые между собой разрезной печью на дальней границе выемочного столба.
Длина выемочных столбов принимается в соответствии со схемой раскройки шахтного поля при высоте столба по падению до 150 м. Отработка выемочных столбов производится обратным ходом - от дальней границы к вскрывающим выработкам. Выемочные столбы разделяются по простиранию на блоки длиной до 150 м. На границах выемочных столбов и блоков оставляются целики угля шириной 8-10 м. Технологическая схема №1 отработки пласта короткими столбами с отбойкой угля шпуровыми зарядами и скрепи-рованием представлена на рис 3.2.
В пределах каждого блока проводятся: на ближней границе транспортная печь, на дальней границе - разрезная; между печами - конвейерные и вентиляционные штреки, разделяющие блок по падению на полосы высотой 25-30 м. Между полосами оставляются целики угля шириной 2-3 м.
Каждая полоса делится на короткие столбы длиной по простиранию 20-30 м. Между столбами оставляются целики угля шириной 2-6 м, у границ которых проводятся разрезные печи. Между печами каждого столба через 5-7 м по падению проводятся разрезные просеки на длину столба, из которых производится взрывная отбойка угля при очистной выемке. Параметры системы разработки принимаются, исходя из конкретных горно-технических условий, крепости угля и устойчивости боковых пород.
Очистная выемка угля начинается от разрезной печи и производится циклично повторяющейся отбойкой лент угля взрывным способом с последующим скреперованием отбитой горной массы из очистного забоя без крепления выработанного пространства. Ленты угля шириной 1,5-2,5 м отбива ются шпуровыми зарядами аммонита ПЖВ-20 с применением электродетонаторов мгновенного или короткозамедленного действия.
Крепь конвейерного и вентиляционного штреков при очистной выемке усиливается подхватами с опережением очистного забоя не менее 10 м.
Шпуры длиной 2-3 м бурятся ручными электросверлами с помощью составных штанг с вентиляционного штрека вниз, с конвейерного штрека -вверх, из просеков - вверх и вниз. Длина и расположение шпуров, масса зарядов принимаются в зависимости от расстояния между штреками, обеспечения линии наименьшего сопротивления до обнаженной поверхности не менее 0,5 м и расстояния между зарядами не менее 0,6 м. Буровзрывные работы в забое производятся в соответствии с паспортом БВР, составленным на основании опытных взрываний и утвержденным главным инженером шахты. Отбойка угля из штреков и просеков производится поочередно или одновременно взрыванием шпуров в нескольких выработках. После взрывания серии зарядов и проветривания забоя производится выгрузка отбитого угля и одновременно с ней бурение следующей серии шпуров.
Выгрузка угля из очистного забоя на скребковый конвейер производится скреперной установкой, состоящей из скреперной лебедки, скрепера, канатов, обводного и концевого блоков. Скреперная лебедка устанавливается и раскрепляется в конвейерном штреке рядом со скребковым конвейером с соблюдением свободных проходов для людей. Скрепер, имеющий клиновую форму с двусторонним расположением зубьев, соединен с тяговым канатом и канатом холостого хода, обведенными вокруг блоков.
Концевой блок прикрепляется к подвесному тросу, обведенному вокруг двух упорных стоек, установленных на вентиляционном штреке. Во избежание одергивания концевого блока концы подвеснвго троса дважды обвиваются вокруг упорной стойки, расположенной со стороны нетронутого массива, и скрепляются зажимом.
Аналитическое исследование особенностей взрывного разрушения пласта в зоне отжима
Проведенный нами анализ исследований влияния горного давления на процесс взрывного разрушения угля показал, что при отбойке массива в пределах зоны отжима прочность массива и энергоемкость его разрушения уменьшаются с увеличением горного давления. Такое изменение прочности отжатого массива объясняется, исходя из двух различных представлений.1. Наблюдаемое изменение прочности вызывается нарушением сплошности массива за счет развития трещин и локальных неоднородностей под воздействием сжимающей нагрузки.2. Порода под нагрузкой накапливает энергию упругой деформации, которая в момент разрушения суммируется с энергией взрыва и тем самым общее количество энергии, сообщенной массиву для его разрушения, увеличивается. Первое представление исключает применение методов механики сплошных сред для исследования процесса и в этом случае нельзя предложить удовлетворительного аналитического решения. Второе представление позволяет воспользоваться этими методами для оценки взаимодействия деформирующей и разрушающей нагрузки (горного давления и взрыва) и применить энергетический подход для исследования процесса взрывного разрушения деформированного массива. Эти методы мы использовали в наших исследованиях при изучении особенностей разрушения массива в зоне отжима при совместном воздействии взрыва и горного давления. Результаты исследований, приведенные в работе [119], показали, что массив в зоне отжима можно рассматривать как одноосно сжатый под действием вертикальной составляющей горного давления. В этой работе на основании сопоставления напряжений и приведенных скоростей перемещений, вызываемых горным давлением и взрывом, было показано, что энергия горного давления в зоне отжима может использоваться при взрываемом разрушении горных пород (угля). для определения количественных соотношений между энергиями взрыва и горного давления в процессе разрушения отжатого массива использованы основные положения механики разрушения [120, 121]. Разрушение рассматривается как переход запасенной телом потенциальной энергии в поверхностную и кинетическую энергию осколков: Это положение выполняется независимо от способа накопления энергии W3an. (деформация или взрыв), а поверхностная энергия представляет собой работу, затраченную на образование новых поверхностей разрушенного тела, или энергию разрушения WPa3P.. Пусть в единице объема массива запасена энергия, сообщенная массиву деформацией сжатия и взрывом заряда взрывчатого вещества (ВВ) Будем считать, что на разрушение массива затрачивается вся энергия деформации и часть энергии заряда ВВ где с - коэффициент использования энергии взрыва на разрушение Выражение (4.1) можно переписать в виде Сумма в правой части выражения представляет собой, очевидно, суммарную накопленную внутри массива энергию, часть которой, порядка одного процента, затрачивается на разрушение. Тогда второй член суммы можно рассматривать как некоторую дополнительную энергию к имеющейся в массиве энергии заряда ВВ или как некоторое увеличение энергии взрыва на величину AWBB. Отсюда запишем (4.2) в виде Из выражений (4.2) и (4.3) получаем Wde p. - удельная энергия деформации, дж/м . Но удельную энергию взрыва можно представить в виде где q - удельный расход ВВ, необходимый для разрушения породы (угля), кг/м3; j - удельная энергия применяемого ВВ, дж/кг. И, соответственно, Удельная энергия деформации массива при одноосном сжатии, как это было показано в работах А.Надаи [120] и О.Е.Власова [121] составляет где а- величина сжимающего напряжения, н/м Е - модуль упругости породы (угля), н/м
Из этой формулы видно, что за счет использования упругой энергии деформации удельный расход ВВ, необходимый для разрушения деформированного массива, может быть сокращен по сравнению с обычным удельным расходом на величину Aq, которая прямо пропорциональна квадрату величины сжимающего напряжения или вертикальной составляющей горного давления и обратно пропорциональна модулю Юнга, удельной энергии ВВ и коэффициенту использования энергии взрыва на разрушение.
Полученная зависимость (4.8) показывает, что при разрушении угля в зоне отжима удельный расход ВВ, необходимый для разрушения угля, должен уменьшаться с увеличением горного давления в соответствии с выражениемгде q„ - удельный расход ВВ в зоне отжима, кг/м3;qH- удельный расход ВВ нормативный в неотжатой зоне,кг/м3; Л q - изменение удельного расхода ВВ за счет использования энергии горного давления, кг/м . Выражая удельный расход ВВ через плотность энергии согласно (4.5), получаем
Учитывая выражение (4.4) имеемТаким образом, для разрушения массива, которому заранее сообщен некоторый запас энергии Wae$., потребуются энергозатраты Wn, меньше, чем необходимы для разрушения того же объема среды в недеформированном состоянии WH, т.е. в зоне повышенного горного давления энергоемкостьвзрывного разрушения угля должна быть меньше, чем в зоне нормальногоW давления на величину запасенной энергии деформации —..
Проанализируем полученное выражение (4.8) и произведем оценку границ применимости формулы. Наибольшее сокращение удельного расхода ВВ Aq за счет использования энергии горного давления должно наблюдаться в породах с небольшими значениями модуля Юнга. Согласно данным
В.В.Ржевского и Г.Я.Новика [122], величина модуля Юнга до 3-10 н/м2 наблюдается в таких породах, как уголь, каменная соль, сланец. С увеличением Е величина Aq должна резко сокращаться. Величина сжимающего напряжения (J должна соответствовать такому значению горного давления, при котором в очистном забое образуется зона отжима глубиной порядка половины мощности пласта. Как показывают экспериментальные исследования А.И.Берона [123], для пластов мощностью около 2,0 м эта величина должна составлять порядка 10 н/м . При значительном уменьшении а величина энергии горного давления может оказаться недостаточной для того, чтобы повлиять на процесс взрывного разрушения.
В то же время, с увеличением и будет возрастать глубина зоны отжима, т.е. увеличиваться область влияния горного давления на взрывную отбойку.Таким образом, эффект влияния горного давления на энергоемкость взрывного разрушения должен наблюдаться с некоторой минимальной глубины. При этом наиболее вероятно проявление этого эффекта в зонах концентрации напряжений.
Ориентировочный расчет показывает, что необходимое минимальное значение сг может быть получено уже на глубине 150-200 м от поверхности при коэффициенте концентрации напряжений, равном 2, что практически соответствует горно-геологическим условиям отработки угольных пластов Ле
